Elektrifierade och energieffektiva transportsystem : Potentialen och förutsättningarna för en elektrifierad transportsektor

ELEKTRIFIERADE OCH

ENERGIEFFEKTIVA

TRANSPORTSYSTEM

Potentialen och förutsättningarna för en elektrifierad transportsektor

WILLIAM JANSSON

Akademin för ekonomi, samhälle och teknik Kurs: Examensarbete, Energiteknik

Kurskod: ERA206 Ämne: Energiteknik Högskolepoäng: 15 hp

Program: Högskoleingenjörsprogrammet i energiteknik

Handledare: Anders Nordstrand Examinator: Erik Dahlquist Uppdragsgivare: Eva Thorin, EST Datum: 2021-06-13

E-post:

ABSTRACT

To make sure Sweden’s environmental goals get accomplished in time it is highly important that the transport sector gets electrified. But an electrification of the transport sector is not entirely free from problems. Moreover, to electrify the transport sector, one must make sure that the energy is enough for both the current businesses, estates, and the increasing energy need, estimated to 26 TWh, from electric cars. With the current capacity shortage in Sweden combined with an increasing energy demand, it is a risk of being a situation where the electrification inhibits the growth of the businesses. To avoid this stalemate, you can use electric cars for energy under peak demand. This type of system is called V2G or V2H

depending on if the electricity transmits to the grid or to one’s home. Furthermore, there are simulations and calculations on the effect and power output of V2G in this report. The charging infrastructure needs development to make it is possible for an electrification. One company that develops their own charging infrastructure is Mälarenergi. They are going to install several charging stations on their parking lot outside their newly built offices: Navet. I will in this report submit a proposal on the way they should develop their parking, with which power the charging should occur and with how many charging stations they should have. The power that can be withdrawn from electric vehicles is depending on several parameters like battery capacity and the cars efficiency. The proposal is based on calculations and discussions with the head of sales from Mälarenergi, Johan Tonde. From a Tesla Model 3, you can get 18,5 kW for a time of four hours and from a Volkswagen e-up you can get 7,9 kW for a time of four hours. The proposal for Navets parking is divided into two proposals, one for today’s requirements and one for the future requirements. The proposal for today is 30 3,7 kW-chargers and 6 11 kW-kW-chargers. The proposal for the future is 50 3,7 kW-kW-chargers and 6 22 kW-chargers. The conclusion is that V2G is a system that will probably have a great impact on the electrification of the transport sector. It will make the electrification easier and faster and make a future where the businesses growth continues parallel to the development of the electrification. This can later enable a future where Sweden becomes carbon neutral.

Keywords: Electrification, electric vehicle, charging infrastructure, smart charging, V2G, V2H, grid, charging stations, battery.

FÖRORD

Detta examensarbete har utförts som den avslutande delen av högskoleingenjörsprogrammet i energiteknik med inriktning elektroteknik på Mälardalens högskola. Arbetet utgör en del av Vinnova projektet ”Förstudie för effektiva och uppkopplade transportsystem i Västerås”. Projektets syfte är att påskynda övergången till en elektrifierad transportsektor i Västerås. Det ska ske genom att ge en ökad kunskap om samspelet mellan fordon, infrastruktur och användare, och kartlägga vilka roller aktörer på området har för inverkan på övergången till en elektrifierad transportsektor.

Förhoppningarna med examensarbetet är att det ska ge Mälarenergi information om hur deras parkering kan formeras för att göra det till ett nav för elbilsladdning, samt öka förståelsen för hur elektrifierade transportsystem kan användas för att skapa integrerande lösningar mellan fordon, infrastruktur och användare.

Jag vill inleda med att tacka Johan Tonde, försäljningschef på Mälarenergi Elnät som har stöttat och bidragit med värdefull information under arbetets gång.

Jag vill även tacka Eva Thorin, professor inom energiteknik samt projektansvarig vid Mälardalens högskola för ”Förstudie för effektiva och uppkopplade transportsystem i Västerås”, som har bidragit med tips och struktur till arbetet.

Västerås, juni 2021 William Jansson

SAMMANFATTNING

Sverige strävar för att kunna uppnå sina uppsatta klimatmål inom tidsramen. För att det ska bli verklighet måste framför allt de sektorer som ligger bakom störst del av

koldioxidutsläppet, näringslivet och transportsektorn, minska sina utsläpp. Det som krävs för att transportsektorn ska kunna minska utsläppen är en övergång till elektrifierade

transportsystem. En sådan övergång är tyvärr inte problemfri. En elektrifiering av

transportsektorn innebär ett ökande energibehov med cirka 26 TWh, det i kombination med kapacitetsbristen som råder i Sverige just nu kan göra att elektrifieringen hämmar Sveriges näringslivstillväxt.

För att kunna undvika ett sådant problem finns några integrerande lösningar mellan fordon, infrastruktur och användare, i form av V2G och V2H, som förhoppningsvis kan underlätta övergången till en elektrifierad transportsektor. Det kommer även krävas en stor utbyggnad inom laddningsinfrastrukturen för att möjliggöra övergången till elektrifierade

transportsystem. En av dessa företag som ska göra utbyggnationer av sin nuvarande

laddningsinfrastruktur är Mälarenergi. De ska bland annat installera nya laddningsstationer vid sina nya kontorslokaler, kallat Navet. Det här examensarbetet lägger fram ett förslag på vilka effektnivåer och på antalet laddningsstationer som bör installeras vid Navet.

I det här arbetet görs en studie på elektrifierade transportsystem och integrerade lösningar mellan fordon, infrastruktur och användare. Det görs simuleringar och beräkningar över V2G:s inverkan på elnätet. Det sker en diskussion om hur laddningsinfrastrukturen bör formeras för Navets parkering med försäljningschefen på Mälarenergi, Johan Tonde. Dessutom görs det beräkningar över laddningseffekten och antalet laddar som parkeringen bör installeras med.

V2G är ett sätt som möjliggör att elbilens batteripack används som effektuttag till elnätet, detta för att kunna bidra med energi vid stort behov som vid effekttoppar. V2H fungerar likadant med skillnaden att elektriciteten färdas till egen bostad i stället för till elnätet. Effektuttaget från en elbil beror på flera parametrar, exempelvis batterikapacitet och fordonets verkningsgrad. Från en av Sveriges vanligaste elbilar, Tesla Model 3, kan ett effektuttag på 18,5 kW fås på en fyra timmars period. Från en av de mindre elbilarna på marknaden, Volkswagen e-up, kan ett effektuttag på 7,9 kW fås på en fyra timmars period. Förslaget för Navets laddningsinfrastruktur resulterade i två förslag, ett sett till dagens behov och ett som ser till framtidens behov. För dagslägets behov rekommenderas 30 st 3,7 kW-laddare och 6 st 11 kW-kW-laddare. För framtida behov rekommenderas 50 st 3,7 kW-kW-laddare och 6 st 22 kW-laddare.

I simuleringen för V2G visas att elbilar har en stor inverkan på ett elnät. Jämförs

simuleringarna utan och med V2G går det att se att den totala lasten ökar markant vid de tillfällena som ett flertal elbilar ansluts för att ladda. Beräkningarna över V2G tar inte hänsyn till andra viktiga parametrar som avgör effektuttaget som kablarnas kapacitet och elbilens kraftelektronik. Beräkningarna ta endast hänsyn till batterikapaciteten och det gör att det beräknade effektuttaget möjligtvis inte stämmer överens med det verkliga effektuttaget.

Slutsatsen är att V2G kan bli ett vitalt system för elektrifieringen av transportsektorn och har alla förutsättningar för att lyckas på stor skala. Det kan göra att elektrifieringen sker i

snabbare takt utan att behöva hindra näringslivets tillväxt för att sedermera möjliggöra utvecklingen mot ett koldioxidneutralt Sverige.

Nyckelord: Elektrifiering, elbilar, laddningsinfrastruktur, smart laddning, V2G, V2H, elnät, laddningsstationer, batteri.

INNEHÅLL

4.1.1 Historia...25 4.1.2 Elmotor ...25 4.1.3 Broms ...25 4.1.4 Spänningsomvandlare ...26 4.1.4.1. Växelriktare ...26 4.1.4.2. Likriktare ...26 4.1.5 Battericell ...27 4.1.6 Batteripack ...27 4.1.7 Laddning ...28 4.1.7.1. Normalladdning ...28 4.1.7.2. Semiladdning ...28 4.1.7.3. Snabbladdning ...28 4.2 Smart laddning ...29 4.2.1 Vad är det? ...29

4.2.2 Vad behövs för att möjliggöra det? ...30

4.2.2.1. Laddning med smarta inställningar ...30

4.2.2.2. Smart laddning inom verksamheten ...30

4.2.2.3. Smart laddning för elsystemet ...31

4.2.2.4. Optimerad smart laddning ...31

4.3 Vehicle-to-grid ...32

4.3.1 Vad är det? ...32

4.3.2 Hur fungerar det och vad behövs för att möjliggöra det? ...32

4.3.3 V2G idag ...33 4.4 Vehicle-to-home ...34 4.5 V2G - simulering ...35 4.6 V2G - beräkning ...39 4.7 Laddningsberäkning ...40 4.7.1 Transformator ...40 4.7.2 Normalladdning 16 A enfas ...41 4.7.3 Semiladdning 16 A trefas ...42 4.7.4 Semiladdning 32 A trefas ...43 4.8 Mälarenergis laddningsinfrastruktur ...44 4.8.1 Behov i dagsläget ...44

4.8.2 Beräkning på antalet laddningsstationer...45

4.8.3 Investeringskostnad ...46

4.8.4 Behov i framtiden ...47

4.8.5 Beräkning på antalet laddningsstationer...47

4.8.6 Investeringskostnad ...48

5.1 Simulering för V2G ...49 5.1.1 Utan V2G ...49 5.1.2 Med V2G...50 5.1.3 Jämförelse ...51 5.2 Beräkning för V2G ...51 5.3 Laddningsberäkning ...51 5.4 Mälarenergis laddningsinfrastruktur ...52 5.5 Investeringskostnad ...52 6 DISKUSSION...53 6.1 Metod ...53 6.2 Resultat ...54 6.2.1 Utan V2G ...54 6.2.2 Med V2G...54

6.2.3 Förslag till laddningsinfrastruktur ...55

6.3 Elbilens negativa påverkan ...56

7 SLUTSATSER ...57

7.1 Integrerande lösningar ...57

7.2 Laddningsinfrastruktur för Mälarenergis parkering ...57

8 FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE...58

FIGURFÖRTECKNING

Figur 1 Likström/Växelström ...18

Figur 2 Enfas ... 19

Figur 3 Trefas ... 19

Figur 4 Effekttoppar ... 21

Figur 5 Lastens Aktiva- och Reaktiva effekt ... 36

Figur 6 Laddningsmönster för de fem användarprofilerna ... 37

Figur 7 Antalet nätanslutna bilar under dygnet ... 38

Figur 8 Lågspänningssida ... 40

Figur 9 Effekt utan V2G ... 49

Figur 10 Effekt med V2G ... 50

Figur 11 Lasteffekt ... 51

TABELLFÖRTECKNING

Tabell 2 Lastbalansering ... 22

Tabell 3 Största säkring för kablar ... 23

Tabell 4 Nissan Leaf laddning ... 34

Tabell 5 Nissan Leaf ger ifrån sig ... 34

Tabell 6 Bostadslast ... 36 Tabell 7 Solceller ... 36 Tabell 8 Vindkraft ... 36 Tabell 9 V2G ... 37 Tabell 10 Beräkningsdata V2G ... 39 Tabell 11 Beräkningsdata 3,7 kW ... 41 Tabell 12 Beräkningsdata 11,1 kW ... 42 Tabell 13 Beräkningsdata 22,2 kW ... 43 Tabell 14 V2G - beräkning ... 51 Tabell 15 Laddningsberäkning ... 51

Tabell 16 Rekommendation för laddningsinfrastruktur sett till dagens behov ... 52

Tabell 17 Rekommendation för laddningsinfrastruktur sett till framtidens behov ... 52

Tabell 18 Investeringskostnad för dagens behov ... 52

BETECKNINGAR

Beteckning Beskrivning Enhet

E Energi Wh I Ström A L Längd m N Lindningsvarv st P Effekt W S Skenbar effekt VA t Tid h U Spänning V 𝜂 Verkningsgrad %

FÖRKORTNINGAR

CCS Combined Charging System

CHAdeMO Charge de Move

SOC State of charge

V2G Vehicle to grid

DEFINITIONER

Definition Beskrivning

Markmätarskåp Används som fördelningscentral till laddningsstationerna.

Nätstation Stationer som med hjälp av en transformator omvandlar spänningsnivån.

1

INLEDNING

Världen står inför en klimatkatastrof om inte växthusgasutsläppen upphör inom den

närmaste framtiden. Om inget förändras förväntas jordens temperatur öka med 2–4 grader under 2000-talet vilket kan leda till fler extrema väder, vattenbrist, sämre hälsa för oss människor och utrotning av många djurarter. Även fast utsläppen skulle upphöra omedelbart kommer klimatet fortfarande påverkas av effekterna av växthusgaserna en lång tid framöver och än finns det inga tecken på att utsläppen kommer att minska, sedan 1970-talet har utsläppen av koldioxid ökat med 80%. Situationen är allvarlig men det finns fortfarande hopp om att teknik och förnybara bränslen ska kunna reducera utsläppen i tillräckligt hög grad för att undvika en klimatkatastrof (Naturvårdsverket, 2010).

1.1

Bakgrund

1:a Januari 2018 trädde Sveriges klimatlag i kraft. Lagen innebär att nuvarande och framtida regeringar har ett ansvar att föra en politik som utgår ifrån klimatmålen. Dessa klimatmål utgörs av tre etappmål, med start vid 2020 och sedan vid de två efterföljande

decennieskiftena, och ett långsiktigt mål som senast ska ske 2045. Dessa mål utgår ifrån en procentuell reducering av 1990 års totala växthusgasutsläpp, där 2020:s utsläpp ska ha reducerats med 40%, 2030:s med 63%, 2040:s med 75% och 2045:s med 85%

(Naturvårdsverket, 2020).

Klimatlagen anger också att regeringen ska ta fram en klimatpolitisk handlingsplan vart fjärde år som beskriver regeringens samlade politik inom alla relevanta utgiftsområden som bidrar till att nå klimatmålen. Om regeringen inte anser att dagens styrmedel räcker till för att uppnå klimatmålen, kommer handlingsplanen även innehålla ytterligare åtgärder som regeringen avser att vidta för hur klimatmålen ska uppnås, samt redogöra för skälet till dem (Naturvårdsverket, 2020).

Enligt den senast tillgängliga statistiken av Sveriges koldioxidutsläpp, från 2019, kan det noteras att Sverige hittills har stått för en procentuell reducering med 29% av utsläppet från 1990 och en årlig reducering från 2018 till 2019 med 2,4%. Vid 2020 ska denna totala

reducering uppgå till 40% för att det första etappmålet ska uppnås. Alltså behöver Sverige stå för en procentuell reducering av växthusgasutsläppet med hela 11% på enbart ett års tid, vilket får ses som ett väldigt svåruppkomligt mål med tidigare års siffror i bagaget (Naturvårdsverket, 2020).

Den första av de klimatpolitiska handlingsplanerna presenterades den 18:e December 2019. I den står det skrivet att ”den nyligen publicerade statistiken understryker dock att

minskningstakten inte är tillräcklig och att det behövs kraftfulla åtgärder klara de klimatpolitiska målen” (Regeringen, 2019).

Även fast det första etappmålet är högst svåruppkomligt är de efterföljande etappmålen och det långsiktiga målet fullt realistiska, men det krävs hårt arbete och förändring. För att nå

näringslivet och transportsektorn som tillsammans utgör cirka 64% av hela Sveriges koldioxidutsläpp. Enskilt störst del står inrikes transporter för med 16,4 miljoner ton koldioxidekvivalenter under 2019 och motsvarar en tredjedel av hela Sveriges

koldioxidutsläpp (Naturvårdsverket, 2020). Att reducera koldioxidutsläppen från inrikes transporter är en prioritering av högsta vikt för att Sverige ska kunna uppnå sina klimatmål och för att kunna göra det behöver transportsektorn elektrifieras, vilket är en process som redan är påbörjad. Men det behöver ske i ännu snabbare takt än tidigare. Därför har regeringen beslutat att öka elektrifieringsarbetet av transportsektorn och infört en elektrifieringskommission vars uppgift är att identifiera åtgärder som kan öka takten i elektrifieringsarbetet (Regeringen, 2020).

Att elektrifiera transportsektorn är inte helt okomplicerat, det finns en rad utmaningar som man ställs inför. Enligt rapporten Elektrifiering av Sveriges transportsektor är några av dessa utmaningar elnätskapaciteten, växande transportbehov och urbanisering (Svenskt näringsliv, 2020). Sverige genomgår just nu en kapacitetsbrist av elnätet. Det beror på att

elproduktionen sker i huvudsak i norra Sverige och måste färdas långa sträckor för att ta sig till storstadsregionerna i söder, det i kombination med att Sverige har ett världens äldsta stamnät gör att det har uppstått en kapacitetsbrist (Energimyndigheten, 2019). Elnätet började byggas på 20-talet och det gjordes utbyggnationer under 60- och 80-talet eftersom landet utvecklades. Dessa utbyggnationer har varit tillräckliga fram tills nu. För att elnätet ska vara tillräckligt för dagens och framtidens elbehov måste det byggas ut och förbättras (Eon, 2021).

Sverige växer ständigt och i kombination med urbaniseringen som även bidrar till en

kapacitetsbrist, gör att elektrifieringen av transportsektorn försvåras. Det uppskattas att om stora delar av transportsektorn elektrifieras kommer efterfrågan av el öka med 26 TWh (Svenskt näringsliv, 2020).

Den ökande efterfrågan av el, dels på grund av tillväxten och urbaniseringen, dels

elektrifieringen av transportsektorn kan göra att elnätets kapacitet inte har en chans att räcka till. Det tar tid att planera och utföra utbyggnationerna av elnätet och det kan göra att

Sveriges tillväxt och elektrifieringen av transportsektorn hämmar varandras utveckling (Eon, 2020).

För att undvika detta problem ska det här arbetet gå in djupare på elektrifierade transportsystem och kolla på några tidigt utvecklade koncept på hur elektrifierade transportsystem kan bidra med effekt till elnät och bostäder vid behov. Detta för att möjliggöra en utveckling där elektrifieringen av transportsektorn kan ske samtidigt som resten av landet fortsätter utvecklas som vanligt.

1.2

Syfte

Syftet med detta arbete är att ge en ökad förståelse av dagens elektrifierade transportsystem och hur de kan användas för att skapa integrerande lösningar mellan transport, infrastruktur och användare som kan bana väg för en utveckling som kan gynna alla parter.

Visa hur stor effekt som elektrifierade transportsystem skulle kunna bidra med för att visa potentialen med lösningar kopplade till elektrifierade transportsystem.

Ta fram ett förslag på laddningsinfrastruktur till Mälarenergis parkering vid Navet, beräkna hur stor laddningseffekt som parkeringen kan förses med och den totala

investeringskostnaden.

1.3

Frågeställningar

• Hur ser dagens befintliga elektrifierade transportsystem ut och hur kan dessa användas för att skapa integrerande lösningar mellan fordon, infrastruktur och användare?

• Hur stor effekt kan dessa integrerade lösningar tillföra?

• Hur bör laddningsinfrastrukturen för parkeringen vid Navet formeras? • Hur stor laddningseffekt kan parkeringen förses med?

• Hur stor kommer investeringskostnaden vara för den valda laddningsinfrastrukturen?

1.4

Avgränsning

Arbetet om elektrifierade transportsystem kommer enbart avgränsas till elektrifierade personbilar med battericeller. Vätgasbilar med bränsleceller kommer inte att tas i beaktning på grund av att de inte laddas av upp av elnätet utan av kemisk process som sker i

bränslecellen när vätgas tillförs, därför kan dessa fordon inte heller avge elektricitet till elnätet. Hybridbilar i form av bränsleceller kombinerat med battericeller eller en

förbränningsmotor kombinerat med battericeller kan användas för V2G men kommer inte heller tas i beaktning i detta arbete. Integrerade lösningar avgränsas till tre huvudkategorier: smart laddning, V2G och V2H.

2

METOD

2.1

Studie

För att frågeställningarna i det här examensarbetet ska kunna besvaras görs det en omfattande studie över elektrifierade transportsystem och integrerande lösningar.

Elektrifierade transportsystem beskrivs utförligt och inleds med en kortfattad tillbakablick på elbilens utveckling och roll i historien. Sedan går det in på mer teknologiska detaljer om vilka huvudsakliga komponenter en elbil är uppbyggd av och deras roll i elbilens funktion. För att introducera integrerande lösningar går det här arbetet in på smart laddning och redogör de olika nivåerna för smart laddning. De olika nivåerna beskrivs genom att både beskriva vad som ingår i de olika nivåerna och vilka tekniska hinder som behöver lösas för att förverkliga dessa. En av de smarta laddningarna inom den högsta nivån, V2G, beskrivs utförligt genom vad det är, hur det fungerar och vad som krävs för att det ska fungera. Det sker även en kortfattad beskrivning om en annan typ av smart laddning som kallas V2H.

Studien görs med hjälp av research på internet och av studielitteratur från tidigare kurser.

2.2

Simuleringar

Det görs simuleringar över V2G:s påverkan av elnätet för att kunna se hur stor effekt dessa system kan tillgå med. Simuleringen görs genom en kombination av MathWorks olika program. För det första krävs tillgång till Matlab som utgör basen i programmet. Matlab är ett program som används för matematiska beräkningar. Sedan krävs även Simulink som integrerar elektriska komponenter. Simscape krävs också för att kunna göra simuleringar och till sist Simscape Electrical för att kunna simulera ett V2G-system.

Simuleringen ska spegla en verklig bild av hur ett energisystem beter sig och vilken påverkan som V2G har på energisystemet under en 24 timmars period. De energikällor som finns i programmet är solceller, vindkraft och en diesel generator. Dessa energikällor är sedan sammankopplade med ett trefasigt elnät med spänning på 25 kV och transformeras ner till 600 V. Sedan kopplas V2G in på elnätet och går vidare till lasten som utgörs av både industri, i form av en asynkronmotor och bostäder. Programmet är designat för den amerikanska standarden och därför överensstämmer inte spänningsnivåerna eller frekvensen för elnätet med den svenska standarden.

Simuleringen har ett flertal justerbara parametrar. Solcellernas uteffekt kan justeras genom verkningsgrad och area. Vindkraftverkets har tre parametrar som är justerbara och dessa är nominell effekt, nominell vindhastighet och maximal vindhastighet. Bostadslasten har två justerbara parametrar effektfaktor och nominell effekt.

V2G-systemet har också en rad parametrar som kan justeras. Systemet består av fem olika användarprofiler som kan justeras efter hur många som ska utgöra varje användarprofil. Dessa fem profiler är:

1. Användare som åker till jobbet och har möjligheten att ladda bilen på jobbet.

2. Användare som åker längre sträcka till jobbet och har möjligheten att ladda bilen på jobbet. 3. Användare som åker till jobbet och inte har möjligheten att ladda bilen på jobbet.

4. Användare som stannar hemma. 5. Användare som jobbar nattskift.

Övriga parametrar som kan justeras på V2G-systemet är batterikapacitet, effekt och verkningsgrad.

Det görs två simuleringar. Den ena utan V2G och den andra med V2G. Sedan jämförs resultatet för båda simuleringar och skillnaden kan analyseras för att se hur stor effekt som V2G kan bidra med.

2.3

Diskussion

För att ta fram förslag på laddningsinfrastrukturen för Navets parkering diskuteras det med säljchefen på Mälarenergi, Johan Tonde, om vad som anses vara lämpligt för parkeringen med de komponenter som finns tillgängliga för parkeringen. Det tas fram förslag på både effektnivå för laddarna och mängden laddare för varje effekt. Två förslag tas fram över laddningsinfrastruktur för Navet, det ena med dagslägets behov i åtanke och det andra med framtida behov i åtanke. Parkeringen i dagsläget består av en stor parkeringsyta för personal och besökare, med tillgång till ett fåtal AC-laddare.

2.4

Beräkningar

För att besvara frågeställningarna om integrerade lösningars möjliga effektuttag och hur stor laddningseffekt som det går att förse Mälarenergis parkering med, görs det ett flertal

beräkningar i Excel.

Det finns två parallellkopplade trefastransformatorer intill parkeringen med en skenbar effekt på 1 600 kVA styck och båda med en primär- och sekundärmärkspänning på 11/0,42 kV. Den sekundära strömmen beräknas för att sedermera göra ett flertal beräkningar på två olika sorters effekter för elbilsladdning.

De laddningseffekter som det beräknas på är 3,7 kW, 11 kW och 22 kW. 3,7 kW är en enfasladdning med 16 A, 11 kW är en trefasladdning med 16 A och 22 kW är trefasladdning med 32 A. De beräkningarna som görs är om laddningstiderna, laddningsmängden under en arbetsdag med uträkningar på både energimängden och antalet mil som laddas, och den procentuella laddningen av totala batteriets energikapacitet. Det görs även beräkningar på antalet laddare som det finns utrymme för på elsystemet utan att lastbalansering behövs. Alla dessa beräkningar görs med enbart en effektnivå i taget.

Laddningseffekten för Navets parkering beräknas fram genom att utgå från de två förslagen på laddningsinfrastruktur, det ena förslaget sett till dagens behov och det andra sett till framtida behov.

Utöver beräkningarna för laddningseffekterna görs det beräkningar över vilket effektuttag som V2G kan bidra till elnätet med. Beräkningarna görs för två olika elbilsmodeller med helt olika batteristorlekar för att visa skillnaden som batterikapaciteten har på effekten. De bilmodeller som det beräknas på är Tesla Model 3 och Volkswagen e-up.

Det görs även en investeringskostnad på de två olika förslagen för Mälarenergis

laddningsinfrastruktur. Beräkningarna tar hänsyn till kostnaderna för laddningsstationerna och installationen för laddningsstationerna.

3

LITTERATURSTUDIE

För att enklare kunna ta emot examensarbetets innehåll har det samlats användbar bakgrundsinformation under detta avsnitt. Denna bakgrundsinformation är till för att fräscha upp minnet inom grundläggande ellära i form av likström/växelström och enfas/trefas men också förse läsaren med möjligtvis ny information i form av laddningskontakter och kommunikationsstandarden mellan elbilar och laddare.

3.1

Likström/växelström

Elektrisk ström finns av två olika slag, likström och växelström. Dessa strömmars användningsområden är olika, likström används främst i samband med batterier men förekommer även vid transmission på långa avstånd, och växelström används till i stort sett allt det andra, som inkluderar produktion, transmission, frekvensändring och allmän användning av ström. Den mest väsentliga skillnaden mellan likström och växelström är strömmens riktning, vid likström är strömmens riktning linjär och strömstyrkan konstant, medan vid växelström byter strömmen riktning ständigt och strömstyrkan ändras periodiskt mellan positivt och negativt. (Fortum, 2020)

Figur 1 Likström/Växelström -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 0 2 4 6 8 10 12 14 Str ö m Tid

Likström/Växelström

3.2

Enfas/Trefas

I en enfasledning leds strömmen via en sinusformad växelspänning genom ledningen. Vid trefas sker ledningen av strömmen via tre sinusformade växelspänningar, 120 grader fasförskjutna från varandra.

Figur 2 Enfas

Figur 3 Trefas

Vid enfas finns enbart en fasspänning och den ligger på 230 V i svenska hushåll. Vid trefas finns tre fasspänningar på 230 V, dessa tre fasspänningar ger tillsammans en huvudspänning på cirka 400 V. Beräknas med följande formel:

𝑈ℎ = 𝑈𝑓∙ √3

(Alfredsson & Rajput, 2009)

Anledningen till att trefas används i stället för enfas i vissa fall är att somliga maskiner behöver större mängd effekt än vad enfas kan förse för att maskinen ska kunna gå jämt och inte låta allt för mycket. Exempel på sådana maskiner är spisar och tvättmaskiner. Med trefas kan man få en högre effekt och ett jämnare spänningsflöde. (Elektriker Stockholm, 2018) Effekten för enfas och trefas fås av följande formler:

𝑃𝑒𝑛 = 𝑈 ∙ 𝐼 ∙ cos 𝜑 𝑃𝑡𝑟𝑒 = √3 ∙ 𝑈ℎ∙ 𝐼ℎ∙ cos 𝜑

(Schavemaker & van der Sluis, 2017)

-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 0 5 10 15 Spänn ing Tid

Enfas

Trefas

3.3

Elnät

Elnätets syfte är att förse hela Sverige med elektricitet. Det är uppbyggt i tre olika nivåer, stamnät, regionnät och lokalnät.

Om elnätets nivåer ska liknas med vägar utgör stamnätet elnätets motsvarighet till motorväg. Här färdas elektriciteten långa sträckor med höga spänningsnivåer. Stamnätet utgör starten av elnätet, ofta sker inmatningen från kraftverk för att färdas i riktning mot städer.

Spänningsnivåerna i stamnätet är antingen 400 eller 220 kV. Anledningen till de höga spänningsnivåerna är för att energiförlusten ska reduceras under transmissionen. När elen transmitteras uppstår det alltid förluster i form av värme, vid långa sträckor kan förlusterna bli väldigt stora och för att förhindra detta höjs alltså spänningsnivåerna. Regionnätet är elnätets motsvarighet till landsväg. I regionnätet färdas elektriciteten medellånga sträckor med medelhöga spänningsnivåer. För att kategoriseras som regionnät ska spänningen innesluta intervallet 130 till 40 kV. Lokalnätet motsvarar elnätets småvägar. Korta sträckor med låga spänningsnivåer, 40 kV eller lägre. Lokalnätet utgör oftast slutet av elnätet, det är den sträckan som transmitterar elektriciteten till våra hem. Elnätet är även uppdelat i nätområden, vid varje nätområde ansvarar ett företag, det finns omkring 170 elnätsföretag som ansvarar för Sveriges olika nätområden. För att elektriciteten ska kunna transmitteras hela vägen från kraftverket till hemmet behöver den transmitteras via stamnätet, regionnätet och lokalnätet. För att den ska kunna göra det behöver den omvandlas i flera steg, det sker via transformatorer. (Eon, 2020) (Jämtkraft, u.å.)

3.4

Transformator

Transformatorn används vid omvandling av växelström. Det finns olika typer av transformatorer, främst enfas och trefas. I Sverige används nästan alltid en

trefastransformator vid distribuering och transmittering av elektricitet från kraftverk till förbrukare. En trefastransformator består av en kärna med tre ben med lindningar runt benen. Varje ben har två typer av lindningar, primärlindning och sekundärlindning. De tre primärlindningarna är identiska med samma antal lindningsvarv och samma

lindningsriktning, sekundärlindningarna har ett annat antal lindningsvarv än primärlindningarna men har samma antal lindningsvarv och lindningsriktning som varandra. Primärlindningarna är anslutna till en trefasspänning, varje ben är ansluten till varsin fas som är fasförskjuten 120 grader i förhållande till varandra. Det ger upphov till tre sinusformade flöden i järnkärnan. Detta flöde inducerar en elektromotoriskspänning i sekundärlindningarna som sedan kan matas ut i form av en omvandlad trefasspänning. Vid en ideal enfastransformator beror spänningsomvandlingen enbart på antalet lindningsvarv på primär- respektive sekundärsida.

Spänningen bestäms av transformatorformeln:

𝑈1

𝑈2=

𝑁1

𝑁2

Om 𝑁1> 𝑁2 är 𝑈2 < 𝑈1 och därmed fås en nedtransformering. Om 𝑁1< 𝑁2 är 𝑈2 > 𝑈1 och därmed fås en upptransformering.

Vid trefastransformatorer är det mer komplicerat än vid ideala enfastransformatorer. Då beror sekundärspänningen på vilken kopplingsart som används mellan primär- och

sekundärlindning utöver antalet lindningsvarv. På grund av detta blir transformatorformeln svår att använda och i stället används märkspänningarna för att få omsättningsförhållandet: 𝑛 =𝑈1𝑛

𝑈_2𝑛

För att beräkna primär och sekundärström används följande formler: 𝐼1𝑛 =

𝑆𝑛

√3∙𝑈_1𝑛 𝐼2𝑛 =

𝑆𝑛

√3∙𝑈_2𝑛

(Alfredsson & Jacobsson, 2016)

3.5

Effekttoppar

Vid stor belastning av elnätet förekommer effekttoppar. Om en effektkurva för ett dygn ritas upp med effekten på y-axeln och tiden på x-axeln kan dessa ”toppar” synas. Här nedan är en sådan effektkurva uppritad med tre effekttoppar under dygnet. Ett exempel på när

effekttoppar uppstår är när det blir extremt kallt. Då stiger plötsligt effektuttaget och energiförbrukningen för att snabbt värma upp alla bostäder och fastigheter. Vid dessa tillfällen blir påverkan på elnätet stor och elbolagen måste ofta köpa in dyr el från andra leverantörer för att tillgodose elnätets behov. (Sensenode, 2021)

Figur 4 Effekttoppar 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 Ef fekt [M W ] Tid [h]

Effekttoppar

3.6

Laddningskontakter

Det finns fyra typer av kontakter som kan förekomma på en elbil, dessa är Typ 1, Typ 2, CHAdeMO och CCS. Typ 1 är en enfaskontakt som klarar max 32 A. Kontakten är ovanlig i Sverige och Europa men populär i Asien. Typ 2 är en enfas- och trefaskontakt som klarar max 70 A enfas eller max 63 A trefas. Den är dessutom EU-standarden för normalladdning och mycket vanlig i Sverige. CHAdeMO är en likströmskontakt och är den japanska standarden för snabbladdning. CCS står för Combined Charging System. Denna kontakt är

vidareutvecklad från Typ 2-kontakten. Den är utvecklad för snabbladdning och klarar laddning med både växelström och likström. (Emobility, u.å.)

Tabell 1 Laddkontakter

Kontakt Laddningstyp Max effekt

Typ 1 Enfas 7,4 kW

Typ 2 Enfas

Trefas 16,1 kW 43,6 kW

CHAdeMO Likström 400 kW

CCS Likström 350 kW

(Mobilityhouse, u.å.) (Insideevs, 2018)

3.7

Lastbalansering

Alla fastigheter har en säkring för att förhindra överbelastning. I ett normalt hushåll är elen säkrad till 20 - 25 A, vid större fastigheter är säkringsstorleken högre. Om en fastighet skulle ha 20 laddningsstationer som laddas samtidigt med hög effekt skulle inte den normala säkringen räcka till och proppen skulle gå. För att undvika detta använder man sig av

lastbalansering. Detta är en teknik som har som uppgift att fördela den tillgängliga effekten i fastigheten mellan de bilar som laddas. Lastbalanseringen ser till att alla bilar laddar på maximal tillgänglig effekt i stället för maximal effekt, vilket gör att säkringen klarar sig. Det finns i huvudsak två olika typer av lastbalanseringar och de lämpar sig för olika sorts lösningar, de lösningar som finns är statisk lastbalansering och dynamisk lastbalansering. Tabell 2 Lastbalansering

Statisk

lastbalansering Laddningsstationerna delar på maximal effekt som är tilldelad efter storleken på säkringen. Effekten per station är förinställd på ett värde och anpassas inte, oavsett hur många av de enskilda bilarna som laddar. Varje laddningsstation tilldelas en lika stor

laddningseffekt. Dynamisk

lastbalansering Laddningsstationernas effekt anpassas efter övriga fastighetens energiförbrukning. På natten då energiförbrukningen är låg får laddningsstationerna större effekt än under dagen då

energiförbrukningen är hög. Detta bidrar till en kostnadseffektiv elmatning in till fastigheten.

3.8

ISO 15118

Detta är den internationella standarden för det digitala kommunikationsprotokollet som en elbil och laddningsstation ska använda sig av vid laddning. ISO 15118 är framtaget av Internationella standardiseringsorganisationen och Internationella elektrotekniska kommissionen. ISO 15118 är utvecklat för att perfekt kunna matcha nätets kapacitet med energibehovet för det växande antal elbilar som ansluter till elnätet. Det möjliggör en integration av elbilar till smarta elnät, men också en dubbelriktad energiöverföring för att kunna utveckla V2G-system. (V2G-Clarity, 2019)

3.9

Strömkablar

Kablar är sammansättningar av en eller flera isolerade ledare. Kablar är uppbyggda av tre huvudkomponenter, ledare, isolering och mantel. Ledarmaterialet består av antingen aluminium eller koppar och har till uppgift att leda strömmen. Isoleringen består vanligtvis av något av följande material, butylgummi, impregnerat papper, polyvinylklorid, polyeten eller tvärbunden polyeten. Det mest vitala med isoleringen är den isolerar ledaren mot andra föremål och för att den ska vara bra för det krävs att materialet har hållfasthet, hög

isolationsbeständighet och dielektrisk styrka, låg effektfaktor och värmebeständighet. Materialet ska även kunna fungera vid höga temperaturer. Manteln består ofta av en inre- och yttre mantel. Inre manteln skyddar kabeln från fukt och består oftast av blylegering. Yttre manteln skyddar från damm, fukt och korrosion och består av ett härdat eller termoplastiskt material. (Illustrationsprize, u.å.)

Nedan ses maximala strömmen för de två ledarmaterialen med olika tvärsnittsareor. Tabell 3 Största säkring för kablar

Tvärsnittsarea Aluminium Koppar

10 mm2 _{40 A 40 A} 16 mm2 _{50 A 63 A} 25 mm2 _{63 A 80 A} 35 mm2 _{80 A 100 A} 50 mm2 _{100 A 125 A} 70 mm2 _{125 A 160 A} 95 mm2 _{125 A 160 A} 120 mm2 _{160 A 200 A} 150 mm2 _{200 A 250 A} 185 mm2 _{200 A 250 A} 240 mm2 _{250 A 315 A} 300 mm2 _{250 A 315 A} (Kabelstickan, u.å.)

3.10 Laddinfrastruktur för elfordon

I examensarbetet ”Laddinfrastruktur av elfordon” skriven av Cleverdal och Nyberg, under 2018, undersöks elbilars påverkan av elnätet. Rapporten beskriver det ökade intresset för elbilar och riskerna för överbelastning av elnätet som kan ske vid ett ökat effektuttag från hushållen. Examensarbetet utförs i samarbete med Eskilstuna Strängnäs Energi och Miljö genom att undersöka påverkan ett ökat effektbehov har på ett bostadsområde i Eskilstuna som heter Borsökna. Bostadsområdet ligger i utkanterna av Eskilstuna och där undersöks effekterna på tre nätstationer, 32 kablar i fördelningsnätet och 111 hushåll.

Elnätets påverkan undersöks med tre olika effektuttag, 4,1 kW, 7 kW, 11 kW och även 7 kW med en sammanlagring på 80 %. Datainsamlingen gjordes med hjälp av programmet Trimble.

Arbetet resulterar i att laddare med effekten 4,1 kW leder till att 2 av 32 kablar i

fördelningsnätet överbelastas, 17 av 111 hushåll överskrider sin strömsäkring, men att alla nätstationer klarar av det ökade effektuttaget. Åtgärder som kan göras för att minska antalet hushåll som överskrider strömsäkringen är att byta ut säkringen mot en som klarar av en högre nivå på 25 A. Med denna åtgärd skulle 3 av 111 hushåll överskrida sin strömsäkring. Slutsatsen dras att effekter högre än 4,1 kW inte är en möjlig nivå för Borsöknas nuvarande elnät eftersom fler huvudsäkringar, fördelningskablar och nätstationer blir överbelastade vid ett ökat effektuttag.

4

AKTUELL STUDIE

Detta avsnitt i examensarbetet inleds med studien om elektrifierade transportsystem och integrerande lösningar, därefter går rapporten vidare in på simuleringen på V2G-system och V2G-beräkningar. Det görs beräkningar på olika laddare, Mälarenergis parkering och

avslutas med beräkningar på investeringskostnaden för respektive förslag.

4.1

Elbilar

4.1.1

Historia

Den första elbilen visades upp redan år 1881 av fransmannen Gustave Trouvé och bestod av tre hjul med en elmotor och batteri och kunde uppnå hastigheten 10 km/h. 1899 satte en elbil ett rekord efter att ha nått en toppfart över 100 km/h. Elbilen blomstrade kring sekelskiftet vid 1800–1900 talet men efter förbränningsmotorns intåg på marknaden kombinerat med ”elektriska startar” som möjliggjorde en vevningsfri start av förbränningsmotorn så började elbilen att fasas ut. Den nya förbränningsmotorn tillförde både ett lägre pris och längre räckvidd än dåtidens elbilar. Det är först de senaste 30 åren som elbilen har börjat fasats in på marknaden igen. (Vattenfall, 2020)

4.1.2

Elmotor

Elbilen drivs av en eller flera elmotorer. De allra flesta elbilar drivs av en synkron

växelströmsmotor. En synkron växelströmsmotor är uppbyggd av en stator och en rotor. Statorn består av lindningar som är fasförskjutna i förhållande till varandra och när dessa lindningar är spänningsförsatta av en trefasig växelspänning eller med enfasig växelspänning sammankopplat med kondensatorer, skapas ett roterande magnetfält som kallas synkrona varvtalet. Rotorn består av permanentmagneter eller rotorlindningar som beter sig som elektromagneter när de är likspänningsförsatta. När statorn är spänningssatt och rotorn har permanentmagneter eller är likspänningsförsatt samtidigt uppstår en rotation i rotorn eftersom magneterna i rotorn strävar efter att komma så nära de motsatta polerna i det roterande magnetfältet som möjligt. Om växelströmmen har en hög frekvens fås en snabbt roterande rotor och vid låg frekvens fås en långsamt roterande rotor, därför är alltså

synkronmotorn enkel att varvtalsreglera. (Mestmotor, 2016) (Alfredsson & Jacobsson, 2016)

4.1.3

Broms

En synkron växelströmsmotor kan både agera som motor och generator. När bilen från ett stillastående läge ska accelerera krävs det ett roterande magnetfält för att få rotorn att börja rotera och därmed få bilen i rörelse. Om situationen är omvänd, att bilen är under rörelse men att den behöver stanna, då kan den synkrona växelströmsmotorn även agera generator. Motorn omvandlar rotorns rörelseenergi till elektricitet genom generatorprincipen.

Det fungerar på så vis att när ett magnetfält roterar i förhållande till en ledning uppstår en elektromotorisk spänning, i det här fallet är det rotorlindningarna som roterar och ger upphov till ett roterande magnetflöde som inducerar en spänning i statorlindningarna och som därefter kan generera bilens batteri. En genomsnittlig elbil kan ta vara på 70% av bromskraften för att utnyttja vid nästa acceleration.

Utöver att synkrona växelströmsmotorn kan agera både motor och generator är den dessutom en utmärkt broms. Sagt sedan tidigare är en synkron växelströmsmotor lätt att varvtalsreglera, det gäller både vid acceleration och retardation. För att få en bil i rörelse till ett stationärt läge reduceras växelströmsfrekvensen. Somliga elbilar använder sig även av denna princip vid lätt tryck på bromspedalen, inte förrän trycket på bromspedalen är rejält används de riktiga bromsarna. (Mestmotor, 2016)

4.1.4

Spänningsomvandlare

Det finns två olika typer av spänningsomvandlare och de används när en likspänning behöver omvandlas till en växelspänning eller vice versa för att ett system ska fungera.

4.1.4.1.

Växelriktare

Är en enhet som omvandlar ett batteris likström till växelström. Denna anordning krävs för att driva en elbil, batterier lämnar ifrån sig en likström medan motorn kräver en växelström för att fungera. Utan denna anordning skulle bilen inte kunna komma i väg från parkeringen. Växelriktaren sitter placerat mellan batteripacket och motorn. Utöver omvandlingen av strömmen har växelriktaren en annan viktig uppgift i en elbil, den justerar

växelströmsfrekvensen. Frekvensen av växelströmmen bestämmer bilens acceleration, vid låg frekvens blir det liten acceleration och vid hög frekvens blir det stor acceleration. Om

växelriktaren skulle ge motorn den högsta möjliga frekvensen vid stillastående läge skulle bilens däck slira längs vägen utan att få grepp om asfalten. Därför har växelriktaren en

mjukvara som bestämmer hur snabbt motorn kan få frekvensen, som börjar med låg frekvens vid stillastående läge för att sedan ökas.

Denna enhet är även vital för att ett V2G-system ska fungera. Som sagt sedan tidigare ger batterier ifrån sig en likström. Elnätet använder sig av växelström, för att elnätet ska kunna ta emot elektricitet från batterierna behöver likströmmen omvandlas till växelström innan den kan matas vidare till elnätet. (Mestmotor, 2016)

4.1.4.2.

Likriktare

Är en enhet som omvandlar växelström till likström. Det krävs för att bilen ska kunna laddas upp. Elnätet matar laddboxarna med växelström som behöver likriktas innan de kan ladda batterierna, det sker i form av en likriktare i antingen bilen om den laddas upp av en AC-laddare (normalladdning) eller en likriktare som sitter i laddboxen om det är en DC-AC-laddare

4.1.5

Battericell

En battericell består huvudsakligen av tre komponenter, två elektroder, som utgörs av en positiv sida kallad katod och en negativ sida kallad anod, och en elektrolyt. De två

elektroderna är skilda från varandra och enda sättet som elektroderna är i kontakt med varandra är genom elektrolyten. Elektrolytens uppgift är att leda joner utan att leda elektroner och den utgörs vanligtvis av en vätska i form av vatten eller ett organiskt lösningsmedel upplöst med salt för att öka jonledningsförmågan.

Förutom de tidigare nämnda komponenterna har en battericell två ledare som är

sammansatta i varsin elektrod och en separator. Separatorns uppgift är att skilja på de två elektroderna så att de inte har någon elektrisk kontakt med varandra men som samtidigt tillåter jonerna att ledas igenom separatorn.

En battericell kan ha väldigt olika egenskaper och därmed vara anpassade för olika sorters applikationer, vissa är lämpliga för hög effekt under en kortare tid och andra kan vara lämpliga för låg effekt under en längre tid. Vad som avgör en battericells egenskaper är beroende på vilka huvudkomponenter som ingår. Elektrodmaterialen avgör cellens spänning, medan elektrolyten påverkar battericellens prestanda vid olika temperaturer. Designen av battericellen kan påverka effektuttaget och drifttiden.

Det finns många olika sorters batterier exempelvis alkaliska- och litium jonbatterier. Dessa batterier har olika egenskaper och anpassade för olika applikationer, men det som skiljer dessa mest åt är att litium jonbatterierna är ackumulatorbatterier medan alkaliska batterier är engångsbatterier. Ackumulatorbatterier är batterier som kan laddas upp flera gånger och används i stort sett alla bärbara enheter.

För att ladda upp ett ackumulatorbatteri krävs det att katoden avger elektroner som tar sig via den yttre kretsen till anoden samtidigt som jonerna tar sig genom elektrolyten till anoden. För att detta ska uppstå krävs det att det tillförs ström från en extern källa. Tiden det tar att ladda upp ett batteri beror på hur snabbt batteriet kan omvandla elektrisk energi till kemisk energi. (Batteriföreningen, 2017)

4.1.6

Batteripack

I en elbil brukar det finnas hundratals battericeller, i vissa fall till och med upp mot 8 000 battericeller. Battericeller brukar oftast seriekopplas i grupper för att öka spänningen. Dessa grupper parallellkopplas sedan för att öka maxströmmen batterierna kan lämna.

Anledningen till strävan efter en hög spänning är för att kunna använda tunnare kablar i bilen än annars medan en hög strömstyrka behövs för att kunna driva elmotorn med stor kraft. (Mestmotor, 2016)

Batteripacket består förutom av battericeller även av en del komponenter som inte har något direkt bidragande till energin, men som behövs för att möjliggöra energianvändningen, som elektronik, frånkopplingsanordningar, kylsystem, strömfördelare, styrenheter och säkringar. Det uppskattas att ungefär 50% av ett batteripacks totala vikt består av dessa komponenter.

Detta medför att batteripack med stort energiinehåll blir tungt. I snitt har elbilars batteripack en storlek på 48 kWh och en energitäthet på 113 Wh/kg. (omEV, 2020)

En elbils batteripack degraderas ständigt. Att batteriet laddas ur och laddas upp hela tiden tär på batteriets prestanda och hållbarhetstid. Efter 16 000 mil brukar batteriets kapacitet ha minskat med 10 - 15%. Det som sliter mest på batteriet är när det är fulladdat eller slutladdat. För att undvika att batteriet slits allt för mycket brukar elbilar inte ladda upp batteriet helt fullt utan till snarare 95% av batteriets kapacitet, samtidigt som bilens dator påstår att batteriet är fulladdat. Det sker på samma sätt när batteriet är slutladdat, då kan bilens dator påstå att batteriet har 0% laddning men i själva verket har det 5% kvar. (Mestmotor, 2016)

4.1.7

Laddning

4.1.7.1.

Normalladdning

Detta är den vanligaste formen av laddningen och sker via enfas som kopplas till bilens inbyggda likriktare för att omvandla växelspänningen till likspänning för att sedan kunna ladda batteriet. Det gör att dessa laddningsstationer är enkla och billiga att uppföra, det är inte mycket mer än ett eluttag. Denna form av laddning används främst vid hemmet under natten eller arbetsplatsen under dagen och tar upp mot åtta timmar att ladda ett tomt batteri fullt. (Emobility, u.å.)

4.1.7.2.

Semiladdning

Semiladdning är en snabbare typ av normalladdning som sker via trefas. Även har måste bilens likriktare omvandla strömmen först innan batteriet kan laddas upp. Denna form av laddning tar mellan 30 minuter och två timmar för ett tomt batteri att laddas fullt.

Semiladdning lämpar sig bäst vid faciliteter som restauranger och köpcentrum. (Emobility, u.å.)

4.1.7.3.

Snabbladdning

Denna form av laddning görs med antingen växelspänning på hög effekt eller likspänning direkt till bilens batteri med en extern laddare, vilket går fortare men kräver mer avancerade laddstationer och dyrare sådana jämfört med normal- och semiladdning. Här måste inte likriktaren i bilen omvandla strömmen innan batteriet kan laddas utan det sker av en likriktare i laddstolpen som omvandlar elnätets växelström till likström. Denna laddning tar cirka 20 – 30 minuter för ett tomt batteri att laddas fullt och därmed lämpar sig denna form av laddning bäst vid snabbmatsrestauranger och fik. (Emobility, u.å.)

4.2

Smart laddning

4.2.1

Vad är det?

Vanligtvis laddas elbilar med direkt laddning som betyder att laddningen sker med full effekt när bilen ansluts till en laddare, vilket kan skapa stora effekttoppar. För att undvika stora effekttoppar används smart laddning. Denna typ av laddning anpassas utifrån flera olika parametrar som exempelvis att ladda när elnätet är som minst belastat.

Smart laddning kan syfta på flera olika saker. För att skilja dessa saker från varandra finns det en trappa på fem nivåer med start på nivå noll som för varje steg har en ökad hänsyn till elsystemets behov. (Powercircle, 2021)

• Nivå 0. – Direkt laddning

Den enklaste formen av elbilsladdning som finns. Elbilen ansluts till laddaren som laddar bilen med full effekt direkt.

• Nivå 1. – Laddning med smarta inställningar

Lite mer avancerad laddningsteknik som inför appstyrning och andra smarta tjänster. Med appstyrning kan laddningen anpassas efter användarens behov på distans. Smarta tjänster medför möjligheten att övervaka laddningsprocessen och kolla statistik m.m.

• Nivå 2. – Smart laddning inom verksamheten

Denna form av smart laddning tar hänsyn till den övriga elanvändningen i verksamheten genom att exempelvis ladda efter den egna elproduktionen. Även lastbalansering och effektvakt ingår i denna typ av smart laddning.

• Nivå 3. – Smart laddning för elsystemet

På den här nivån tar laddningen hänsyn till elpriset och elnätstariffer för att planera laddningen utifrån dessa parametrar. Dynamiska elnätsavtal som styr när användaren får ladda ingår också i denna kategori.

• Nivå 4. – Optimerad smart laddning

Den mest avancerade formen av smart laddning. Här ingår optimering som avser styrning mot ett flertal styrsignaler och elmarknader, och aggregering som betyder att elbilen ingår som en del i ett större bud på marknader och kan sälja stödtjänster. Vehicle- to-grid ingår också i denna form av smart laddning.

4.2.2

Vad behövs för att möjliggöra det?

Under denna rubrik beskrivs varje steg på trappan mer utförligt och det läggs fokus på vilka typer av steg som behöver tas på ett tekniskt plan för att dessa former av laddning ska kunna möjliggöras.

4.2.2.1.

Laddning med smarta inställningar

I denna kategori är fokuset på användaren och bekvämligheten i laddningen. Appstyrning ska kunna medföra ett enklare sätt för användaren att ladda bilen genom att kunna anpassa laddningen efter elpriset och avresetider. Möjligheten att boka offentliga laddstationer ska förenkla resorna och förhoppningsvis reducera köbildningen som kan förekomma med de långa väntetiderna vid laddningen.

De tekniska förutsättningarna som behövs för att möjliggöra denna form av laddning är främst mjukvarubaserade. Det behövs utveckling av applikationer för detta. Det krävs också uppkoppling mellan elbilen och applikationen eller mellan laddstationen och applikationen för att dessa ska kunna kommunicera med varandra. De flesta elbilar och laddstationer är idag försedda med möjligheten till uppkoppling. (Powercircle, 2021)

4.2.2.2.

Smart laddning inom verksamheten

Här ligger inte längre fokuset på bara användarens bekvämlighet, utan på hela fastighetens bekvämlighet. Laddningen anpassas med hjälp av lastbalansering och effektvakt för att ge den mest lämpliga laddningen för tillfället. Om den övriga energianvändningen i fastigheten är hög reduceras effekten till elbilsladdningen för att inte säkringen ska gå. Om fastigheten har solceller som producerar elektricitet kan laddningen till och med öka vid stor produktion. För en effektvakt ska fungera på ett tekniskt plan behöver den kopplas ihop med fastighetens elcentral för att kunna mäta energiförbrukningen i fastigheten. Den behöver också kopplas samman med laddaren för att kunna överföra elektricitet till laddaren. Effektvakten fungerar som en mer avancerad elmätare, den mäter energiförbrukningen i fastigheten och för

därefter vidare den mängd elektricitet som effektvakten finner lämplig.

För att möjliggöra lastbalansering krävs ungefär samma saker som för en effektvakt. En extern elmätare kopplas samman med elcentralen för att kunna mäta energiförbrukningen. Elmätaren kommunicerar antingen trådat eller uppkopplat med laddaren för att kunna optimera laddningen efter energiförbrukningen. (Powercircle, 2021)

4.2.2.3.

Smart laddning för elsystemet

Denna form av smart laddning tar hänsyn till elsystemets belastning och elpriser. Om laddningen är kopplat till ett rörligt elpris och användaren är lite flexibel i sitt

laddningsbehov kan laddningen ske vid de tider som elpriserna är som lägst och göra att användaren sparar in mycket pengar. Laddningen kan också anpassas till att ladda när det är som bäst för elnätet. Om elnätet är hårt belastat är det inte bra att ladda elbilen just då eftersom det då uppstår ännu större effekttoppar. Laddningen anpassas till när elnätet är som minst belastat och laddar då.

För att denna smarta laddning ska kunna möjliggöras är det en rad teknologiska faktorer som behövs. Rörligt elpris, smarta elmätare och uppkopplade fordon eller laddare är alla saker som krävs för detta. Rörligt elpris för att anpassa laddningen till billigast elpris. Smarta elmätare som är uppkopplade med elnätet behövs för att realtidsbaserade prissignaler ska fungera. De elmätare som finns idag har en upplösning som ska klara av att uppdatera var tionde sekund. Detta är ytterst tveksamt om det räcker till för att realtidsbaserade

prissignaler ska fungera. (Powercircle, 2021)

4.2.2.4.

Optimerad smart laddning

Den högsta nivån av smart laddning. Under denna kategori utnyttjas elbilarnas batteri till annat än att bara driva bilen. Utöver att smart laddning bidrar elbilarna med tjänster till elnätet. Om en extern aktör optimerar laddningen och säljer tjänster från en grupp elbilar till olika marknader behöver användarens och fastighetens behov vägas ihop med

verksamhetens elpriser och betalning för olika stödtjänster. Detta behövs för att kunna optimera intäkter och kostnader för kunden. Vehicle-to-grid är också ett exempel på denna form av smart laddning och beskrivas utförligt i avsnitt 4.3.

Det krävs uppkoppling och kommunikationsstandarder för att elbilar ska kunna bidra med tjänster. Kommunikationsstandarder är viktigt för att elbilar ska kunna kommunicera med laddare. Avtal med aktörer är också en viktig del. Aktören ska kunna säkerställa att tekniken uppnår marknadens krav på snabba svarstider, tillförlitlighet och mätning.

4.3

Vehicle-to-grid

4.3.1

Vad är det?

Traditionellt används en elbils batteripaket enbart till drift av fordonet, bilen ansluts till en laddare för att laddas upp av elektriciteten från elnätet för att därefter kunna köra. När elbilen är fulladdad står den fortsatt kvar ansluten till laddaren tills användaren kopplar ur den och åker därifrån. Tiden medan bilen är fulladdad och tills användaren har kopplat ur den är outnyttjad potential av elbilens kraftfulla batteripaket och kraftelektronik. En elbils batteripaket och kraftelektronik är komponenter som har ett större användningsområde än att bara driva bilen. En elbil är ett rullande energilager som kan lagra eller flytta över energi. Vehicle-to-grid utnyttjar denna outnyttjade potential genom att elbilens batteripaket agerar effektresurs för elnätet vid behov. (Powercircle, 2020)

4.3.2

Hur fungerar det och vad behövs för att möjliggöra det?

För att kunna använda elbilars batteripaket som en effektresurs krävs det innovation i flera led. Först och främst krävs det både ny hårdvara och mjukvara i bil och laddningsutrustning för att möjliggöra V2G, sedan behövs det elmätare och styrutrustning till elnätet.

Digitaliseringen tillsammans med affärsmodeller och kunderbjudande behöver följa med i utvecklingen för att möjliggöra ett hållbart V2G-system.

Tekniken som krävs är ytterligare kraftelektronik i form av växelriktare i antingen bilen eller laddningsutrustningen. När en elbil laddas traditionellt omvandlas den inkommande

strömmen från elnätets växelström till likström med en likriktare för att vara kompatibelt med batteriet och därmed ladda batteriet. För att strömmen ska gå i motsatt riktning från batteriet till elnätet måste en omvandling ske här också, dock kan inte likriktaren vara till hjälp i det läget, här krävs det en växelriktare som omvandlar likströmmen till växelström i harmoni med elnätet.

Utöver hårdvaran krävs det även en mer avancerad mjukvara i utbytet mellan elbil och laddare. Vanligtvis är detta utbyte simpelt, elbilen bekräftar att den kan ta emot laddning och laddaren aktiverar strömmen. Vid V2G är det fler parametrar som behöver tillförses innan systemet kan utnyttjas. För att V2G ska fungera behöver laddaren och elbilen utbyta information i form av batteristatus, behörigheter, debiteringsinformation, elavtal,

energibehov och andra tekniska variabler. De tekniska krav som finns på både hårdvara och mjukvara finns samlat under den tekniska standarden för V2G-system som kallas ISO 15118. En av dessa parametrar som är allra viktigast i ettV2G-system är batteristatusen även kallat SOC (State Of Charge). Vore det inte för denna parameter skulle alla elbilar behandlas lika oavsett av hur mycket laddning elbilen har. För att ett V2G-system ska fungera väl behöver effektuttaget regleras efter SOC, exempelvis om det är två elbilar, en är fulladdad och den andra har precis anslutits med ett nästan tomt batteri, då behöver laddaren kunna läsa av att den ena bilen är möjlig att utnyttja för effektuttag medan den andra behöver laddas.

Vad gäller de rättsliga delarna för att möjliggöra V2G är att det idag inte finns några legala hinder för effektuttag från elbil till elnät. Det finns inte heller något som strider mot att flytta på el genom laddning på en plats för att sedan mata ut den till en fastighet eller annat

elområde. Det som dock krävs är att det finns en elmätare som mäter både inmatad och utmatad el, att det finns ett inmatningsabonnemang och att en elhandlare köper elen. Det krävs även att vid inmatning av el att utrustningen klarar de generella reglerna som beskrivs i ISO 15118-standarden.

Vid ett V2G-system är det privatpersoners elbilar som utnyttjas för effektuttag till elnätet och för att det ska kunna ske måste varje enskild person ta beslutet att vilja ”låna ut” sina

batteriers effekt till elnätet. För att locka privatpersoner till detta är det tänkt att varje bilägare som erbjuder sin elbil som stödtjänst till elnätet ska få betalt per kWh eller få en kostnadsbesparing. För att sätta ett pris på detta måste värdet av nyttan och kostnaden kartläggas. Kostnaden beror på de resurser som krävs för samordning och styrning men också på grund av batteridegraderingen. (Powercircle, 2020)

4.3.3

V2G idag

Tekniken som V2G kräver finns redan på vissa håll i världen. Sedan 2014 har de japanska biltillverkarna med sin standard CHAdeMO haft funktionaliteten som krävs för V2G-system. Bilar som laddar via CHAdeMO har möjligheten att användas för V2G redan idag om de ansluts till en V2G-laddare. I Europa är det få bilmärken som använder sig av CHAdeMO, endast två, Nissan och Mitsubishi, övriga bilmärken använder den europeiska standarden CCS och Typ 2. Den europeiska standarden fungerar inte med V2G av sig självt utan behöver implementera ISO 15118 för att göra V2G till en teknisk möjlighet. (Powercircle, 2020) Det har redan hunnit göras flera försök på V2G-system runtom i världen. Japan som ligger långt fram i denna utveckling gjorde mellan 2010 - 2013 ett experiment för att demonstrera tekniken med V2G. På den tiden var batterierna små jämfört med idag med en energilagring på 16 kWh och laddare med en effekt på 3 kW. Systemet bestod av fem Mitsubishi iMiev med tidigare nämnda energilagring, solceller på 20 kW och ett stationärt energilager bestående av använda elbilsbatterier med 80 kWh. Systemet var endast i drift vardagar 13 - 16 och

överförde mellan 30 - 50 kWh, anläggningens effektbehov kunde kapas med 12,7 % i snitt. Under 2016 blev Danmark först i världen med ett kommersiellt V2G-system med sitt så kallade Parkerprojekt. Detta system bestod av tio elskåpsbilar som anslöts till varsin V2G-laddare när de inte var i drift. I snitt var de uppkopplade 100 timmar per vecka och bil. Under de cirka två åren som projektet hölls i gång återfördes totalt 130 000 kWh till elnätet. Varje bil genererade i snitt 20 000 kronor i intäkter per år.

Ett V2G-projekt som pågått i Sverige är Örebrostäders projekt. I det projektet har två

fastigheter försetts med en laddningsbox som möjliggör laddning i båda riktningar. Testerna visar att ett effektuttag på cirka 10 kW är möjligt från en Nissan Leaf under en fyra timmars period. (Nyteknik, 2020)

4.4

Vehicle-to-home

Elbilar kan även anslutas till bostäder för att ge dessa energi vid behov. Detta fungerar på samma sätt som V2G med att bilen ansluts till en laddare som både kan förse el till elbilen och ta emot el från elbilen. Detta är användbart vid strömavbrott för att bostaden ska fungera som normalt även då. Strömavbrott är inte ofta förekommande i Västerås och därför kommer inte V2H vara särskilt användbar av denna orsak. Det som däremot kan göra V2H till en vital del av bostadens energibehov är om det utnyttjas när elpriserna och effekttopparna är som högst. På detta sätt kan elräkningarna sänkas och effekttopparna reduceras. I stället för att bostaden förses med energi från elnätet hela tiden oavsett elpriser och effekttoppar, kan V2H användas. Då laddas bilens batteri full medan elpriserna och elnätets belastning är som lägst och används för att förse bostaden med energi när elpriserna och elnätets belastning är som högst. (IoTEvolution, 2016)

Det har gjorts en del projekt inom V2H, exempelvis ”Leaf to home” som var ett japanskt projekt som använde sig av bilmodellen Nissan Leafs batterikapacitet för att överföra elektricitet till hushåll. V2H-systemet bestod av en Nissan Leaf med ett batteripack med ett energiinnehåll på 24 kWh, en laddare som kan förse och ta emot elektricitet och ett hushåll. Elbilen kunde förse hushållet med tillräckligt med energi för ungefär två dagar. Följande parametrar användes i projektet:

När Nissan Leaf laddas sker det med följande parametrar: Tabell 4 Nissan Leaf laddning

Ingångsspänning Enfas, AC 200 V (±15%), 50/60 Hz (±5%)

Ingångsström AC 0 - 36 A

Utgångsspänning Max DC 450 V

Toppeffekt 6 kW

Omvandlingsverkningsgrad 90% eller mer (vid nominell effekt)

Effektfaktor 99% eller mer (vid nominell effekt)

När Nissan Leaf ger ifrån sig elektricitet sker det med följande parametrar: Tabell 5 Nissan Leaf ger ifrån sig

Ingångsspänning Max DC 450 V

Ingångsström DC 0 – 30 A

Enfas, tre trådsystem (AC 100 V x tvåfas)

Utgångsspänning AC 100 V (±6%), 50/60 Hz

AC 200 V (±6%), 50/60 Hz (Max ±2%)

Utgångsström AC 0 – 30 A

Toppeffekt 6 kW (Enfas, AC 100 V x 3 kW x tvåfas)

Omvandlingsverkningsgrad 90% eller mer (vid nominell effekt) (Nissan, 2012)

4.5

V2G - simulering

Simuleringen görs med flera av MathWorks olika program. För att kunna göra den här typen av simulering krävs tillgång till Matlab, Simulink, Simscape och Simscape Electrical.

Det kommer göras två simuleringar, den första simuleringen kommer göras utan ett V2G-system, och den andra simuleringen kommer göras med ett V2G-system för att kunna jämföra och se inverkan av ett V2G-system.

Simuleringen består av tre energikällor, solceller, vindkraft och diselgenerator,

sammankopplat med ett trefasigt elnät med spänningen 25 kV. Elnätet transformeras ner till 600 V med en transformator och elnätet är sedan sammankopplat med en last bestående av både bostäder och industri. Mellan transformatorn och lasten finns möjligheten att koppla in ett V2G-system, det är det som kommer skilja de två simuleringarna från varandra.

Solcellernas effekt avgörs av tre parametrar, arean, verkningsgraden och irradiansen. Utöver detta är denna simulering skapad på ett verklighetstroget sätt och därför är solcellernas effekt formerad efter den normala distribution för solceller med noll effekt på natten som under förmiddagen ökar för att vara som högst mitt på dagen och för att sedan på kvällen avta tills effekten blir noll igen. Det är även inlagt en delvis skuggning på solcellerna mitt på dagen som påverkar solcellernas effekt.

Vindkraftens effekt påverkas av vindprofilen, nominell effekt, nominell vindhastighet och maximal vindhastighet. Det är inlagt att vindhastigheten under en kort stund kommer överstiga det maximala värdet för vindkraftverket och kommer därför att kopplas bort från elnätet medan vindhastigheten är för hög.

Dieselgeneratorns effekt är beroende på hur det övriga systemet är formerat, den balanserar den konsumerade effekten och den producerade effekten. Skulle en att de förnybara

energikällorna tas bort skulle diselgeneratorn behöva generera mer och skulle en av de förnybara energikällorna i stället generera mer skulle dieselgeneratorns produktion reduceras.

Lasten består av en bostadsdel och en industridel. Industridelen utgörs av en asynkronmotor för att representera den induktiva belastning en industri har på elnätet. Bostadsdelen följer en konsumtionsprofil med given effektfaktor.

Följande parametrar är inställda i båda simuleringar: Tabell 6 Bostadslast Bostadslast Nominell effekt 10 MW Effektfaktor 0,95 Tabell 7 Solceller Solceller Verkningsgrad 10% Area 80 000 m2 Tabell 8 Vindkraft Vindkraft Nominell effekt 4,5 MW Nominell vindhastighet 13,5 m/s Maximal vindhastighet 15 m/s

Med bostadslasten inställd på tidigare nämnda värde fås följande diagram över lastens aktiva- och reaktiva effekt.

Vid den andra simuleringen införs V2G-systemet med följande parametrar inställda. Tabell 9 V2G V2G 4 MW Märkeffekt 40 kW Nominell kapacitet 85 kWh Verkningsgrad 90 % Antal profil 1 35 st Antal profil 2 25 st Antal profil 3 10 st Antal profil 4 20 st Antal profil 5 10 st

Följande diagram visar de fem olika användarprofilernas laddningsmönster under dygnet. De fem användarprofilerna utgörs av:

1. Användare som åker till jobbet och har möjligheten att ladda bilen på jobbet. 2. Användare som åker till jobbet och inte har möjligheten att ladda bilen på jobbet.

3. Användare som åker längre sträcka till jobbet och har möjligheten att ladda bilen på jobbet. 4. Användare som stannar hemma.

5. Användare som jobbar nattskift.